基本工作原理是在电离室电极表面涂覆²³⁵U等裂变材料，通常涂层厚度2～3毫克/厘米²，入射进裂变电离室的中子与裂变材料发生裂变反应，产生的裂变碎片（以下简称裂片）进入电离室灵敏体积使得工作气体发生电离产生电子-离子对，电子-离子对在电场作用下进行漂移运动从而产生输出信号。

裂变反应一般产生两个裂片，根据动量守恒原理，一般会有一个裂片射入工作气体产生电离，另一个裂片进入电极片内部并把能量损失在其中，对信号没有贡献。由于裂变反应的反应能很大（约200MeV），裂片的能量（动能）可达160MeV左右，能在气体中强烈电离，产生很大的输出信号。因此，裂变电离室可在脉冲状态下工作，用来测量单次裂变反应所产生的信号脉冲。此外，由于裂片引起的信号显著大于γ射线引起的信号，相比于其他中子探测器，裂变电离室具有很强的抗γ干扰能力。

为提高探测中子的灵敏度，多采用极板并联结构以增大涂层面积。

部分裂变材料的裂变反应具有阈特性，即只有超过一定能量的中子才能引起该材料的裂变反应，涂有这些材料的裂变电离室可用来探测阈能以上的中子，即制成阈探测器。

由于裂变电离室具有耐强辐射、抗γ干扰能力强、耐高温等特性，常被用于核反应堆的测控（实时测量反应堆内的中子注量率）。为适应不同的反应堆测量要求，发展出了各种裂变电离室如微型裂变室、高灵敏度螺旋裂变室、高温裂变室等。